Примесные полупроводники

Примесными называют полупроводники, электрофизические параметры которых определяются наличием примеси.

Примеси бывают либо примесями внедрения (атомы внедряются в междоузлия и поры кристаллической решётки), либо замещения (атомы занимают места в узлах решётки, образуя связи с атомами основного материала).

И те и другие примеси влияют на величину электропроводности полупроводников. Однако тип проводимости изменяют только примеси замещения. Для полупроводников из примесей замещения выделяются донорные и акцепторные примеси.

Донорные примеси – примеси с валентностью большей, чем у собственного полупроводника, следовательно, они имеют большее число электронов в валентной зоне и при образовании связей с атомами полупроводника один из этих электронов (валентный) окажется незадействованным, следовательно, его легко можно оторвать от полупроводника.

С точки зрения зонной теории, донорная примесь, как и любой дефект кристаллической решетки, создаёт в запрещенной зоне разрешенный для пребывания электронов уровень. При этом примесный уровень располагается вблизи дна зоны проводимости.

Рисунок 4 Образование полупроводника n-типа с точки зрения зонной теории.

Так как , то - число электронов в зоне проводимости намного больше числа дырок в валентной зоне.

Суммарный заряд донорнолегированных полупроводников по прежнему равен нулю. Когда мы берём неравенство , мы подразумеваем те носители заряда, которые способны перемещаться по объёму полупроводника. Дырки, формирующиеся на донорном уровне, не участвуют в процессе переноса заряда, поскольку обменное взаимодействие между атомом примеси и соседним атомом полупроводника невозможно. Положительный заряд ионов примеси компенсируется отрицательным зарядом свободных электронов. Если эти электроны убрать из объёма полупроводника, то в возникшей обеднённой зоне мы увидим положительный заряд ионов примеси.

Акцепторные примеси имеют валентность меньшую, чем собственный полупроводник.

Встраиваясь в кристаллическую решётку и образуя связи, эти примеси захватывают недостающий для образования связи электрон у полупроводника. Таким образом, сами атомы примеси заряжаются отрицательно, то есть превращаются в отрицательно заряженные ионы.

С точки зрения зонной теории акцепторная примесь образует акцепторный уровень вблизи потолка валентной зоны и, следовательно, электронам гораздо легче перейти на этот уровень.

Рисунок 5 Образование полупроводника р-типа с точки зрения зонной теории.

;

Электроны, попавшие на примесный уровень, не принимают участия в электропроводности по той же причине, что и дырки в предыдущем случае, а ионы примеси в обеднённой зоне образуют область отрицательного пространственного заряда.

Температурная зависимость концентрации носителей заряда в примесных полупроводниках

Рисунок 6 Зависимость концентрации носителей заряда легированного полупроводника

от температуры.

Степени легирования подчиняются неравенству:

.

На участке 1 – 2 концентрация носителей заряда растёт за счёт примеси – участок работы примеси.

2 – 3 область истощения примеси, когда она отдала все свои электроны.

3 – 4 участок собственной проводимости полупроводника, концентрация носителей заряда растёт за счёт атомов полупроводника.

В сильно легированных полупроводниках область истощения примеси не присутствует на графике. По достижении определённой температуры прирост концентрации будет происходить интенсивнее за счёт самого полупроводника.

На участке работы примеси угол наклона прямой определяется энергией, необходимой для перехода с примесного уровня в зону проводимости.

На участке 3 – 4 угол наклона будет определяться шириной запрещённой зоны.

Таком образом:

• даже сильно легированные полупроводники при определённой температуре начинают вести себя как собственные;

• все полупроводники, используемые в электронных приборах, за исключением вырожденных, работают на участке эксплуатационных температур .